(57)【要約】  単一駆動の剛性‐フレキシブルカップリングされる精密移動ステージであって、リニアガイドレール（Ａ１０１）、剛性‐フレキシブルカップリングされる移動ステージ、リニア駆動器及び変位センサ（Ａ６）を含み、剛性‐フレキシブルカップリングされるステージは、剛性フレーム（Ａ２０１）、フレキシブルヒンジ（Ａ２０３）及びコア移動ステージ（Ａ２０２）を含む。リニア駆動器は、フレキシブルヒンジ（Ａ２０３）を介して剛性フレーム（Ａ２０１）を駆動してリニアガイドレール（Ａ１０１）に移動させる。当該移動ステージは、高精度の連続変化・変位を実現することができ、加速度の突然変化による変位「振動」を回避する。  【選択図】図１
2019509617.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
単一駆動の剛性‐フレキシブルカップリングされる精密移動ステージであって、ベース、リニアガイドレール、剛性‐フレキシブルカップリングされる移動ステージ、リニア駆動器及び変位センサを含み、剛性‐フレキシブルカップリングされるステージは、剛性フレーム、フレキシブルヒンジ及びコア移動ステージを含み、
前記剛性‐フレキシブルカップリングされるステージのコア移動ステージは、フレキシブルヒンジを介して前記剛性フレームに接続され、
前記剛性‐フレキシブルカップリングされるステージのコア移動ステージは、リニア駆動器に接続し、前記剛性フレームは、ガイドレールのスライドブロックを介して前記ベースに固定される前記リニアガイドレールに接続し、前記コア移動ステージが前記リニア駆動器の作用で前記フレキシブルヒンジを弾性変形させ、かつフレキシブルヒンジにより前記剛性フレームを駆動して前記リニアガイドレールの長手方向に自由移動させ、
前記変位センサは、前記コア移動ステージに接続し、コア移動ステージの移動方向における変位を測定することに用いられることを特徴とする単一駆動の剛性‐フレキシブルカップリングされる精密移動ステージ。
【請求項２】
前記リニア駆動器は、ボイスコイルモータ又はリニアモータであることを特徴とする請求項１に記載の単一駆動の剛性‐フレキシブルカップリングされる精密移動ステージ。
【請求項３】
前記剛性‐フレキシブルカップリングされるステージの剛性フレームとコア移動ステージとの間には、位置制限装置及びダンパが設けられていることを特徴とする請求項１に記載の単一駆動の剛性‐フレキシブルカップリングされる精密移動ステージ。
【請求項４】
剛性‐フレキシブルカップリングされるステージの前記コア移動ステージと前記剛性フレームとの間のフレキシブルヒンジは、対称的に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の単一駆動の剛性‐フレキシブルカップリングされる精密移動ステージ。
【請求項５】
前記剛性‐フレキシブルカップリングされる移動ステージは、一体的に加工製造されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の単一駆動の剛性‐フレキシブルカップリングされる精密移動ステージ。
【請求項６】
前記フレキシブルヒンジは、ストレートビーム型又は切欠き型のフレキシブルヒンジであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の単一駆動の剛性‐フレキシブルカップリングされる精密移動ステージ。
【請求項７】
前記剛性‐フレキシブルカップリングされる移動ステージにおけるコア移動ステージ及び剛性フレームは、さらに、リニアベアリング、磁気支持剛性強化構造を有していることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の単一駆動の剛性‐フレキシブルカップリングされる精密移動ステージ。
【請求項８】
前記請求項１乃至４のいずれかの一項に記載の単一駆動の剛性‐フレキシブルカップリングされる精密移動ステージにより実現され、
リニア駆動器によりコア移動ステージを直接的に駆動し、駆動力が剛性フレームの静摩擦を客服することができない場合、コア移動ステージは、フレキシブルヒンジの弾性変形により微小変位を発生させ、精密のマイクロ移動を実現するステップ（１)と、
リニア駆動器の駆動力が高まるとき、摩擦力を克服し、剛性フレームを移動させるが、この場合、弾性変形が増大し、位置制限状態に進入し、すべての駆動力が剛性フレームに伝達されて高速移動するステップ（２)と、
ステージが減速するとき、コア移動ステージが、まず、制動し、フレキシブルヒンジを介して剛性フレームを制動させ、その後、別の位置制限装置及びダンパに切り替え、振動エネルギーを減衰させるステップ（３)を含むことを特徴とする単一駆動の剛性‐フレキシブルカップリングされる精密移動ステージの実現方法。
【請求項９】
単一駆動の剛性‐フレキシブルカップリングされる精密移動ステージのアプリケーションであって、前記単一駆動の剛性‐フレキシブルカップリングされる精密移動ステージは、大ストロークの精密加工設備に応用され、かつ権利要求１、２、３又は４のいずれか一項に記載の単一駆動の剛性‐フレキシブルカップリングされる精密移動ステージをモータ駆動ステージとして用いられることを特徴とする単一駆動の剛性‐フレキシブルカップリングされる精密移動ステージのアプリケーション。
【請求項１０】
大ストロークの精密加工設備に用いられ、かつ前記請求項８に記載の方法を用いてモータ駆動を実現することを特徴とする単一駆動の剛性‐フレキシブルカップリングされる精密移動ステージのアプリケーションの実現方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、モータの駆動技術に関し、より具体的には、単一駆動の剛性‐フレキシブルカップリングされる精密移動ステージ及びその実現方法、並びにアプリケーションに関する。
【背景技術】
【０００２】
高速精密移動ステージは、半導体パッケージなどの分野に広く使用されている。高速精密移動ステージにおける移動対偶間の表面粗さの不確定的変化により、摩擦抵抗の値は、不確定的に変化する。移動ステージの起動、停止及びマイクロ移動過程には、移動ステージの速度は、相対的に遅く、上記摩擦抵抗値の波動により、移動ステージは、「徐行」現象を発生しやすい。閉ループ制御システムの作用で、駆動器は、駆動力を増大することにより摩擦抵抗を克服し、移動ステージの位置決め誤差を補償する。上記補償過程には、移動ステージは、頻繁に「静止から移動への」状態切替を経てしまう。「静止から移動へ」の過程には、移動対偶間の摩擦抵抗は、「静摩擦力から動摩擦力へ」の状態切替を経るが、静摩擦係数と動摩擦係数との間の差異は、上記状態切替瞬間の加速度の突然変化に繋がり、移動ステージが最終位置決めの位置付近における「振動」を引き起こし、位置決め精度に影響する。
【０００３】
どのように起動、停止及びマイクロ移動過程で、摩擦状態の切り替えによる位置決め誤差の影響を低減させるかは、高速精密移動ステージの実行精度に影響する重要な問題である。上記問題について、現在、以下の方法解決方法が存在している。
【０００４】
１．正確な摩擦力モデルを構築し、移動制御及び駆動力補償の方式を採用する。
【０００５】
２．摩擦がなく、或いは、摩擦が低い移動対偶の設計、例えば、空気ベアリングや、磁気サスペンションベアリング、マイクロ移動ステージのフレキシブルヒンジなどの構成設計を採用する。
【０００６】
移動対偶間の接触面のミクロ特性の差異及び製造誤差などの要素のため、非常に精密な摩擦力モデルを構築しにくく、移動制御システムには複雑な補償制御方法を採用する必要がある。
【０００７】
空気ベアリングや、磁気サスペンションベアリングなどの低摩擦の移動対偶の実施コストは、比較的高く、その使用範囲が制限されている。
【０００８】
フレキシブルヒンジは、外部摩擦がない移動対偶として、弾性変形により連続した高精度の移動を実現する。動作メカニズムの制限により、フレキシブルヒンジの移動対偶は、主に、微小ストロークの移動に適用される。 大ストロークの移動の場合、フレキシブルヒンジは、いつも、摩擦移動対偶と結合して使用され、マクロ−マイクロ複合の移動ステージを構成して大ストロークの高精度な移動を実現し、従って大きな範囲の移動を補償する。
【０００９】
特許２０１４１０６９６２１７．０は、リニアモータのステータ共用、両駆動のマクロ−マイクロ一体化される一次元の高速精密移動ステージを提案している。提案されたマクロ−マイクロ移動ステージのマクロ移動外部フレーム及びマイクロ移動ステージは、それぞれ、２組のリニアモータロータに接続する。マクロ移動外部フレームとマイクロ移動ステージとの間は、フレキシブルヒンジを介して接続し、前記マクロ移動外部フレームは、対応するリニアモータロータの駆動で大ストロークのマクロ移動を実現し、前記マイクロ移動ステージは、対応するリニアモータロータの駆動で上記マクロ移動の移動ずれを動態的に補償する。上記マクロ−マイクロ複合移動原理により、大ストロークの高精度な移動を実現する。前記移動ステージにおけるマイクロ移動ステージは、摩擦がないフレキシブルヒンジの移動対偶の設計を採用し、位置決め過程における連続変位変化を実現する。特許２０１４１０６９６２１７．０が提案した移動ステージは、以下の主な欠陥を有する。(１)マクロ−マイクロ複合制御を採用するので、移動ステージのマクロ移動ステージ及びマイクロ移動ステージは、それぞれの駆動器及び変位センサからフィードバックシステムをそれぞれ構成する必要があり、コストが比較的高い。(２)制御システムには、マクロ移動及びマイクロ移動の切り替え制御を考慮する必要があり、制御システムは、比較的複雑である。(３)ステージにおける移動部分の質量が比較的大きく、高加速などの慣性影響が大きい場合に使用される。(４)マクロ移動ステージのフィードバック制御システムは、位置決め段階における摩擦状態の影響を考慮する必要があり、位置決め過程においてマクロ移動ステージの変位ずれがフレキシブルヒンジの移動対偶の限界変形範囲により小さくなるようにする。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上記技術問題を解決するために、本発明の目的は、モータ駆動ステージの簡易な制御及び構成の最適化を実現することであり、具体的には、本発明は、単一駆動の剛性‐フレキシブルカップリングされる精密移動ステージ及びその実現方法、並びにアプリケーションを提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明に係る単一駆動の剛性‐フレキシブルカップリングされる精密移動ステージは、ベース、リニアガイドレール、剛性‐フレキシブルカップリングされる移動ステージ、リニア駆動器及び変位センサを含み、剛性‐フレキシブルカップリングされるステージは、剛性フレーム、フレキシブルヒンジ及びコア移動ステージを含む。
【００１２】
前記剛性‐フレキシブルカップリングされるステージのコア移動ステージは、フレキシブルヒンジを介して前記剛性フレームに接続されている。
【００１３】
前記剛性‐フレキシブルカップリングされるステージのコア移動ステージは、リニア駆動器に接続し、前記剛性フレームは、ガイドレールのスライドブロックを介して前記ベースに固定される前記リニアガイドレールに接続し、前記コア移動ステージが前記リニア駆動器の作用で前記フレキシブルヒンジを弾性変形させ、かつフレキシブルヒンジにより前記剛性フレームを駆動して前記リニアガイドレールの長手方向に自由移動させる。
【００１４】
前記変位センサは、前記コア移動ステージに接続し、コア移動ステージの移動方向における変位を測定することに用いられる。
【００１５】
好ましくは、前記リニア駆動器は、ボイスコイルモータ又はリニアモータである。
【００１６】
好ましくは、前記剛性‐フレキシブルカップリングされるステージの剛性フレームとコア移動ステージとの間には、位置制限装置及びダンパが設けられている。
【００１７】
好ましくは、剛性‐フレキシブルカップリングされるステージの前記コア移動ステージと前記剛性フレームとの間のフレキシブルヒンジは、対称的に配置されている。
【００１８】
好ましくは、前記剛性‐フレキシブルカップリングされる移動ステージは、一体的に加工製造されている。
【００１９】
好ましくは、前記フレキシブルヒンジは、ストレートビーム型又は切欠き型のフレキシブルヒンジである。
【００２０】
本発明は、さらに、単一駆動の剛性‐フレキシブルカップリングされる精密移動ステージの実現方法を提供し、本方法は、上記単一駆動の剛性‐フレキシブルカップリングされる精密移動ステージにより実現され、以下のステップを含む。
【００２１】
１)リニア駆動器によりコア移動ステージを直接的に駆動し、駆動力が剛性フレームの静摩擦を克服することができない場合、コア移動ステージは、フレキシブルヒンジの弾性変形により微小変位を発生させ、精密なマイクロ移動を実現する。
【００２２】
２) リニア駆動器の駆動力が増大するとき、摩擦力を克服し、剛性フレームを移動させるが、この場合、弾性変形が増大し、位置制限状態に進入し、すべての駆動力が剛性フレームに伝達されて高速移動する。
【００２３】
３) ステージが減速するとき、コア移動ステージが、まず、制動し、フレキシブルヒンジを介して剛性フレームを制動させ、その後、別の位置制限装置及びダンパに切り替え、振動エネルギーを減衰させる。
【００２４】
本発明は、さらに、単一駆動の剛性‐フレキシブルカップリングされる精密移動ステージのアプリケーションを提供し、前記単一駆動の剛性‐フレキシブルカップリングされる精密移動ステージは、大ストロークの精密加工設備に応用され、かつ前記単一駆動の剛性‐フレキシブルカップリングされる精密移動ステージをモータ駆動ステージとして用いられる。
【００２５】
相応的に、本発明は、さらに、単一駆動の剛性‐フレキシブルカップリングされる精密移動ステージのアプリケーションの実現方法を提供し、本方法は、大ストロークの精密加工設備に用いられ、かつ前記単一駆動の剛性‐フレキシブルカップリングされる精密移動ステージの実現方法を用いてモータ駆動を実現する。
【００２６】
本発明の有益な効果は、以下の通りである。
【００２７】
１)摩擦がないフレキシブルヒンジの移動対偶を採用して高精度の連続変化変位を実現し、低速の作業状況で移動対偶の摩擦状態を切り替えることにより加速度が突然に変化して変位「振動」を発生することを回避する。
【００２８】
２)剛性‐フレキシブルカップリングされる移動ステージの設計を採用し、使用したフレキシブルヒンジは、自分の弾性変形によりガイドレールの移動対偶の摩擦力の変化に主動的に適応し、移動対偶の摩擦状態の切り替えによる「徐行」の連続変位の位置決めに対する影響を回避し、より高い位置決め精度を実現しやすい。
【００２９】
３)移動ステージは、単一駆動の閉ループ制御システムを採用し、採用した駆動器及びセンサは、共に、前記コア移動ステージに接続され、制御システムの設計は、簡単であり、信頼性がより高い。
【００３０】
４)移動ステージは、比較的にコンパクトである設計を採用し、マクロ−マイクロ複合移動ステージに対して、より小さい移動質量を実現することができ、高加速などの場合におけるアプリケーションに有利である。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】図１は、本発明に係る剛性‐フレキシブルカップリングされる移動ステージの作業原理を示す模式図である。
【図２】図２は、本発明の実施例Ａの模式図である。
【図３】図３は、本発明の実施例Ａの一部拡大される断面模式図である。
【図４】図４は、本発明の実施例Ａの前断面図及び一部拡大図である。
【図５】図５は、本発明の実施例Ｂの模式図である。
【図６】図６は、本発明の実施例Ｂの一部拡大される断面模式図である。
【図７】図７は、本発明の実施例Ｂの前断面図及び一部拡大図である。
【図８】図８は、本発明の実施例Ｃの模式図である。
【図９】図９は、本発明の実施例Ｃの一部拡大される断面模式図である。
【図１０】図１０は、本発明に係る１μｍ精密マイクロ移動の実験データのカーブである。
【図１１】図１１は、本発明の１００ｍｍ高速位置決めの実験データのカーブである。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
以下、本発明の実施例における図面を参照しながら、本発明の実施例における技術案を明瞭、完全に説明する。勿論、説明する実施例は本発明の一部の実施例に過ぎず、すべての実施例ではない。当業者は、創造的な努力をしない前提で、本発明における実施例に基づいて得られた他のすべての実施例は、本発明の保護しようとする範囲に含まれる。
【００３３】
本発明が提出した移動ステージの一実施例Ａは、以下の通りである。
【００３４】
図１乃至図３に示すように、移動ステージは、主に、ベースＡ４、リニアガイドレールＡ１０１、ガイドレールのスライドブロックＡ１０２、剛性フレームＡ２０１、コア移動ステージＡ２０２、フレキシブルヒンジＡ２０３、ラスタ変位センサＡ６及びリニアモータ駆動器から構成する。剛性フレームＡ２０１とコア移動ステージＡ２０２との間は、フレキシブルヒンジＡ２０３の移動対偶により接続され、剛性フレームＡ２０１は、リニアガイドレールの移動対偶によりベースＡ４に接続されている。
【００３５】
前記リニアモータ駆動器は、リニアモータロータＡ５０１及びリニアモータステータＡ５０２から構成する。リニアモータロータＡ５０１は、前記コア移動ステージＡ２０２に接続し、前記リニアモータロータＡ５０１は、電磁力の作用でコア移動ステージＡ２０２に対して駆動力を印加することができる。前記駆動力により、フレキシブルヒンジＡ２０３を弾性変形させ、従って、前記コア移動ステージＡ２０２にガイドレールの長手方向に沿うリニア変位を発生させる。前記フレキシブルヒンジＡ２０３の弾性変形の反作用力は、前記剛性フレームＡ２０１が接続するリニアガイドレールの移動対偶間の摩擦力を克服することに用いられることができ、フレキシブルヒンジＡ２０３の弾性変形の反作用力が前記リニアガイドレールの移動対偶間の静摩擦力などの抵抗より大きい場合、前記剛性フレームＡ２０１は、静止状態から移動状態に変える。
【００３６】
前記コア移動ステージＡ２０２の変位は、以下の２種の状況に分けることができる、ａ．フレキシブルヒンジＡ２０３の弾性変形力が前記移動対偶の静摩擦力などの抵抗より小さい場合、前記コア移動ステージＡ２０２の変位は、前記フレキシブルヒンジＡ２０３の移動対偶の弾性変形量である。ｂ．フレキシブルヒンジＡ２０３の弾性変形力が前記移動対偶の静摩擦力などの抵抗より大きい場合、前記コア移動ステージ(Ａ２０２)の変位は、前記フレキシブルヒンジＡ２０３の移動対偶の弾性変形量と前記剛性フレームＡ２０１の剛性変位との和である。前記リニアガイドレールの移動対偶の移動状態が上記状況ａとｂとの間で切り替えられる場合、前記リニアガイドレールの移動対偶の静摩擦係数と動摩擦係数との間の差異により、抵抗の突然変化に繋がり、移動ステージの剛性に対して衝撃し、かつ移動対偶の摩擦「徐行」を引き起こす。前記フレキシブルヒンジＡ２０３は、それ自身の弾性変形により、上記の移動対偶の摩擦状態からの切り替えによる摩擦抵抗の突然変化に主動的に適応し、摩擦抵抗の突然変化の前記コア移動ステージＡ２０２に対する剛性衝撃を軽減する。上記のいずれかの状況でも、前記コア移動ステージＡ２０２は、フレキシブルヒンジＡ２０３の弾性変形により連続した変位変化を実現することができ、摩擦「徐行」の状況による移動位置決め精度への影響を回避する。
【００３７】
前記ラスタ変位センサＡ６は、前記コア移動ステージＡ２０２に接続し、前記コア移動ステージＡ２０２のいずれかの状況での変位をリアルタイムに測定することができる。前記ラスタ変位センサＡ６の変位測定は、フィードバック要素とされてリニアモータ駆動器などと閉ループ制御システムを形成し、前記コア移動ステージＡ２０２の高精度の移動位置決めを実現することができる。
【００３８】
前記移動ステージが高加速度などの状況にある場合、前記リニアモータ駆動器は、前記コア移動ステージＡ２０２が前記フレキシブルヒンジＡ２０３に駆動力を作用することにより前記フレキシブルヒンジＡ２０３の変形量は、限界弾性変形量を超えやすい。前記フレキシブルヒンジＡ２０３の弾性変形量が限界を超えるとき、前記コア移動ステージＡ２０２は、前記剛性フレームＡ２０１に接触し、かつ剛性移動ステージ全体を構成する。前記コア移動ステージＡ２０２と前記剛性フレームＡ２０１との間にはダンピング装置Ａ３が設けられており、前記コア移動ステージＡ２０２と前記剛性フレームＡ２０１との接触衝撃力を軽減する。
【００３９】
図３及び図４に示すように、前記コア移動ステージＡ２０２のロード能力を向上するために、前記剛性フレームＡ２０１と前記コア移動ステージＡ２０２との間にはリニアベアリングユニットが設けられている。剛性フレームＡ２０１の両支持端間には光軸Ａ７０２が設けられ、前記コア移動ステージＡ２０２にはリニアベアリングスリーブＡ７０１が取り付けられている。前記リニアベアリングスリーブＡ７０１の移動自由度は、前記光軸Ａ７０２の長手方向に制限されている。前記剛性フレームＡ２０１に取り付けられる光軸Ａ７０２と前記コア移動ステージＡ２０２に取り付けられるリニアベアリングスリーブＡ７０１は、共に、剛性強化ユニットを構成し、前記コア移動ステージＡ２０２のロード能力を向上する。
【００４０】
本発明が提出する移動ステージの一実施例Ｂは、以下の通りである。
【００４１】
図５及び図６に示すように、実施例Ｂにおける移動ステージの構成設計及び移動原理は、実施例Ｂと同じである。移動ステージは、主に、ベースＢ４、リニアガイドレールＢ１０１、ガイドレールのスライドブロックＢ１０２、剛性フレームＢ２０１、コア移動ステージＢ２０２、フレキシブルヒンジＢ２０３、ラスタ変位センサＢ６及びリニアモータ駆動器などから構成する。剛性フレームＢ２０１とコア移動ステージＢ２０２との間は、フレキシブルヒンジＢ２０３の移動対偶により接続され、剛性フレームＢ２０１は、リニアガイドレールの移動対偶によりベースＢ４に接続されている。前記リニアモータ駆動器は、リニアモータロータＢ５０１及びリニアモータステータＢ５０２から構成する。リニアモータロータＢ５０１は、前記コア移動ステージＢ２０２に接続し、前記リニアモータロータＢ５０１は、電磁力の作用でコア移動ステージＢ２０２に対して駆動力を印加することができる。前記コア移動ステージＢ２０２と前記剛性フレームＢ２０１との間にはダンピング装置Ｂ３が設けられており、前記コア移動ステージＢ２０２と前記剛性フレームＢ２０１との接触衝撃力を軽減させる。
【００４２】
実施例Ａに対して、実施例Ｂの主な変化点は、さらに、実施例Ａにおいて前記コア移動ステージのロード能力を向上するために採用した剛性強化ユニットの設計を改良する。
【００４３】
図６及び図７に示すように、前記剛性フレームＢ２０１には磁気ブロックＩＩ Ｂ７０２が設けられており、前記コア移動ステージＢ２０２には磁気ブロックＩ Ｂ７０１が設けられている。前記磁気ブロックＩＩ Ｂ７０２は、ステージの移動過程では、終始ずっと前記磁気ブロックＩ Ｂ７０１の中間に位置している。前記磁気ブロックＩＩ Ｂ７０２と前記磁気ブロックＩ Ｂ７０１の上部との対向面は、同じ磁極極性を採用し、前記磁気ブロックＩＩ Ｂ７０２と前記磁気ブロックＩ Ｂ７０１の下部との対向面も、同じ磁極極性を有する。上記磁極配置方式を採用することにより、前記磁気ブロックＩＩ Ｂ７０２は、前記磁気ブロックＩ Ｂ７０１による磁気反発力を前記磁気ブロックＩＩ Ｂ７０２間に制限され、従って、前記コア移動ステージＢ２０２のロード能力を向上する。前記磁気ブロックＩＩ Ｂ７０２と磁気ブロックＩ Ｂ７０１は、共に、非接触式の剛性強化ユニットを構成する。
【００４４】
本発明が提出する移動ステージの一実施例Ｃは、以下の通りである。
【００４５】
図８及び図９に示すように、移動ステージは、主に、ベースＣ４０１、クロスローラーリニアガイドレールＣ１、剛性フレームＣ２０１、コア移動ステージＣ２０２、フレキシブルヒンジＣ２０３、ラスタ変位センサＣ７、ボイスコイルモータなどから構成している。剛性フレームＣ２０１とコア移動ステージＣ２０２との間は、フレキシブルヒンジＣ２０３の移動対偶により接続され、剛性フレームＣ２０１は、リニアガイドレールの移動対偶によりベースＣ４０１に接続されている。
【００４６】
前記ボイスコイルモータ駆動器は、ボイスコイルモータロータＣ５０１及びボイスコイルモータステータＣ５０２から構成される。ボイスコイルモータロータＣ５０１は、ロータ接続部材Ｃ３により前記コア移動ステージＣ２０２に接続されている。前記ボイスコイルモータロータＣ５０１は、電磁力の作用でコア移動ステージＣ２０２に対して駆動力を印加することができる。前記駆動力により、フレキシブルヒンジＣ２０３を弾性変形させることができ、従って、前記コア移動ステージＣ２０２にガイドレールの長手方向に沿うリニア変位を発生させる。前記フレキシブルヒンジＣ２０３の弾性変形の反作用力は、前記剛性フレームＡ２０１が接続するリニアガイドレールの移動対偶間の摩擦力を克服することができ、フレキシブルヒンジＣ２０３の弾性変形の反作用力が前記リニアガイドレールの移動対偶間の静摩擦力などの抵抗より大きい場合、前記剛性フレームＣ２０１は、静止状態から移動状態に変わる。
【００４７】
前記コア移動ステージＣ２０２の変位状況は、実施例Ａと同じ２つの状況に分けることができ、採用した摩擦「徐行」の影響を回避する方法も実施例Ａと同じである。
【００４８】
前記ラスタ変位センサＣ７は、前記コア移動ステージＣ２０２に接続し、前記コア移動ステージＣ２０２がいずれかの状況での変位をリアルタイムに測定することができる。前記ラスタ変位センサＣ７の変位測定は、フィードバック要素としてボイスコイルモータ駆動器などと閉ループ制御システムを構成し、前記コア移動ステージＣ２０２の高精度の移動位置決めを実現することができる。
【００４９】
前記移動ステージが高加速度などの状況にある場合、前記ボイスコイルモータ駆動器は、前記コア移動ステージＣ２０２が前記フレキシブルヒンジＣ２０３に駆動力を作用することにより前記フレキシブルヒンジＣ２０３の変形量は、限界弾性変形量を超えやすい。前記フレキシブルヒンジＣ２０３の弾性変形量が限界を超えるとき、前記コア移動ステージＣ２０２は、前記剛性フレームＣ２０１に接触し、かつ剛性移動ステージ全体を構成する。前記コア移動ステージＣ２０２と前記剛性フレームＣ２０１との間にはダンピング装置Ｃ８が設けられており、前記コア移動ステージＣ２０２と前記剛性フレームＣ２０１との接触衝撃力を軽減する。
【００５０】
本発明の実施効果を説明するために、１μｍの微小変位供給及び１００ｍｍ高速位置決めの２つのケースを示す。普通のステージ(静摩擦係数０．２、動摩擦係数０．１５)、本実施例の低摩擦(摩擦係数が普通のステージの１/１０)及び無摩擦のケースを比較する。
【００５１】
表１ 精密マイクロ移動(１μｍ)移動精度比較
2019509617.tif 000003
【００５２】
表１に示すように、精密マイクロ移動の場合、摩擦作用により、普通のステージの実際の変位が０．４４４８４μｍのみであり、目標変位とのずれが−５６．６１６％である。本発明に係る低摩擦の剛性‐フレキシブルカップリングされるマクロ−マイクロ複合ステージを採用すれば、コアステージの弾性変形変位が０．９２５４７μｍであり、目標変位とのずれが−７．４５３％であり、剛性フレームの変位が０．０５０７１μｍである。本発明に係る無摩擦の剛性‐フレキシブルカップリングされるマクロ−マイクロ複合ステージを採用すれば、コアステージの弾性変形変位が０．９８６１１μｍであり、目標変位とのずれが−１．３８９％であり、剛性フレームの変位が０．０１０５９３μｍのみである。
【００５３】
よって、精密マイクロ移動の場合、摩擦の作用により、大きな位置決め誤差を発生する。本方法の剛性‐フレキシブルカップリングにより、低摩擦又は無摩擦の弾性変形は、微小変位を発生し、精密マイクロ移動を実現する。
【００５４】
図１１．ａは、ストローク１００ｍｍの高速位置決めのケースを示す。摩擦により、駆動力が非常に小さいとき、スライドブロックは、静止状態にあり、駆動力が静摩擦より大きくなるまで、移動し始める(図１１．ｂ)。制動過程では、駆動力は、まず、コアステージに作用し、ステージの移動速度を低下し、さらに、フレキシブルヒンジを介して剛性フレームに作用し、そのため、コアステージは、剛性フレームより先行して制動する。剛性フレームの速度が０に近接するとき、摩擦四輪駆動に進入し、この場合、コアステージは、フレキシブルヒンジが変形するマイクロ移動を介して誤差補償を完了する(図１１．ｃ)。
【００５５】
表２ １００ｍｍストローク位置決め精度比較
2019509617.tif 000004
【００５６】
表２に示すように、摩擦がある普通のステージに対して、静態位置が９９．９９６８ｍｍであり、誤差が−０．００３２％である。低摩擦弾性変形複合したあと、位置決め精度が９９．９９９２ｍｍに達し、誤差が−０．０００８％である。無摩擦を弾性補償するとき、実際の変位が９９．９９９６であり、相対誤差が−０．０００４％であり、位置決め精度がサブミクロンオーダーである。
【００５７】
以上のように、コアステージは、フレキシブルヒンジにより剛性フレームに接続し、駆動力が摩擦を克服することに不足すると、コアステージはフレキシブルヒンジを介して変形し、変位し、そのため、高速起動を実現する。高速運行時から停止時まで、速度が低下し、それに伴って、駆動力も低下し、駆動力が静摩擦より小さい状況が発生する。この際に、コアステージは、継続的にフレキシブルヒンジの変形を介して変位を実現する。すべての過程では、アルゴリズムを切り替える必要がなく、制御が簡単である。
【００５８】
以上、本発明に係る単一駆動の剛性‐フレキシブルカップリングされる精密移動ステージ、実現方法及びそのアプリケーションを詳しく説明したが、本文には、具体例を挙げて本発明の原理及び実施形態を説明したが、以上の実施例についての説明は、本発明の方法及びその核心思想を理解させるためのものである。当業者にとっては、本発明の原理を逸脱しない前提で、本発明に対して、いくつかの改良及び修飾を行うことができ、これらの改良及び修飾は、本発明の請求範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００５９】
リニアガイドレール１、剛性フレーム２０１、コア移動ステージ２０２、フレキシブルヒンジ２０３、ダンパ３、リニアガイドレールＡ１０１、リニアガイドレールのスライドブロックＡ１０２、移動ステージ剛性フレームＡ２０１、コア移動ステージＡ２０２、フレキシブルヒンジＡ２０３、ダンピング装置Ａ３、ベースＡ４、リニアモータロータＡ５０１、リニアモータステータＡ５０２、ラスタ変位センサＡ６、リニアベアリングスリーブＡ７０１、光軸Ａ７０２、リニアガイドレールＢ１０１、リニアガイドレールのスライドブロックＢ１０２、移動ステージ剛性フレームＢ２０１、コア移動ステージＢ２０２、フレキシブルヒンジＢ２０３、ダンピング装置Ｂ３、ベースＢ４、リニアモータロータＢ５０１、リニアモータステータＢ５０２、ラスタ変位センサＢ６、磁気ブロックＩ Ｂ７０１、磁気ブロックＩＩ Ｂ７０２、クロスローラーリニアガイドレールＣ１、移動ステージ剛性フレームＣ２０１、コア移動ステージＣ２０２、フレキシブルヒンジＣ２０３、ロータ接続部材Ｃ３０１、ベースＣ４、衝突防止ブロックＣ６、ボイスコイルモータロータＣ５０１、ボイスコイルモータステータＣ５０２、ラスタ変位センサＣ７、ダンピング装置Ｃ８。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【手続補正書】
【提出日】平成30年5月31日(2018.5.31)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
単一駆動の剛性‐フレキシブルカップリングされる精密移動ステージであって、ベース、リニアガイドレール、剛性‐フレキシブルカップリングされる移動ステージ、リニア駆動器及び変位センサを含み、剛性‐フレキシブルカップリングされるステージは、剛性フレーム、フレキシブルヒンジ及びコア移動ステージを含み、
前記剛性‐フレキシブルカップリングされるステージのコア移動ステージは、フレキシブルヒンジを介して前記剛性フレームに接続され、
前記剛性‐フレキシブルカップリングされるステージのコア移動ステージは、リニア駆動器に接続し、前記剛性フレームは、ガイドレールのスライドブロックを介して前記ベースに固定される前記リニアガイドレールに接続し、前記コア移動ステージが前記リニア駆動器の作用で前記フレキシブルヒンジを弾性変形させ、かつフレキシブルヒンジにより前記剛性フレームを駆動して前記リニアガイドレールの長手方向に自由移動させ、
前記変位センサは、前記コア移動ステージに接続し、コア移動ステージの移動方向における変位を測定することに用いられることを特徴とする単一駆動の剛性‐フレキシブルカップリングされる精密移動ステージ。
【請求項２】
前記リニア駆動器は、ボイスコイルモータ又はリニアモータであることを特徴とする請求項１に記載の単一駆動の剛性‐フレキシブルカップリングされる精密移動ステージ。
【請求項３】
前記剛性‐フレキシブルカップリングされるステージの剛性フレームとコア移動ステージとの間には、位置制限装置及びダンパが設けられていることを特徴とする請求項１に記載の単一駆動の剛性‐フレキシブルカップリングされる精密移動ステージ。
【請求項４】
剛性‐フレキシブルカップリングされるステージの前記コア移動ステージと前記剛性フレームとの間のフレキシブルヒンジは、対称的に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の単一駆動の剛性‐フレキシブルカップリングされる精密移動ステージ。
【請求項５】
前記剛性‐フレキシブルカップリングされる移動ステージは、一体的に加工製造されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の単一駆動の剛性‐フレキシブルカップリングされる精密移動ステージ。
【請求項６】
前記フレキシブルヒンジは、ストレートビーム型又は切欠き型のフレキシブルヒンジであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の単一駆動の剛性‐フレキシブルカップリングされる精密移動ステージ。
【請求項７】
前記剛性‐フレキシブルカップリングされる移動ステージにおけるコア移動ステージ及び剛性フレームは、さらに、リニアベアリング、磁気支持剛性強化構造を有していることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の単一駆動の剛性‐フレキシブルカップリングされる精密移動ステージ。
【請求項８】
前記請求項１乃至４のいずれかの一項に記載の単一駆動の剛性‐フレキシブルカップリングされる精密移動ステージにより実現され、
リニア駆動器によりコア移動ステージを直接的に駆動し、駆動力が剛性フレームの静摩擦を克服することができない場合、コア移動ステージは、フレキシブルヒンジの弾性変形により微小変位を発生させ、精密のマイクロ移動を実現するステップ（１)と、
リニア駆動器の駆動力が高まるとき、摩擦力を克服し、剛性フレームを移動させるが、この場合、弾性変形が増大し、位置制限状態に進入し、すべての駆動力が剛性フレームに伝達されて高速移動するステップ（２)と、
ステージが減速するとき、コア移動ステージが、まず、制動し、フレキシブルヒンジを介して剛性フレームを制動させ、その後、別の位置制限装置及びダンパに切り替え、振動エネルギーを減衰させるステップ（３)を含むことを特徴とする単一駆動の剛性‐フレキシブルカップリングされる精密移動ステージの実現方法。
【請求項９】
単一駆動の剛性‐フレキシブルカップリングされる精密移動ステージのアプリケーションであって、前記単一駆動の剛性‐フレキシブルカップリングされる精密移動ステージは、大ストロークの精密加工設備に応用され、かつ請求項１、２、３又は４のいずれか一項に記載の単一駆動の剛性‐フレキシブルカップリングされる精密移動ステージをモータ駆動ステージとして用いられることを特徴とする単一駆動の剛性‐フレキシブルカップリングされる精密移動ステージのアプリケーション。
【請求項１０】
大ストロークの精密加工設備に用いられ、かつ前記請求項８に記載の方法を用いてモータ駆動を実現することを特徴とする単一駆動の剛性‐フレキシブルカップリングされる精密移動ステージのアプリケーションの実現方法。
【手続補正書】
【提出日】平成30年11月29日(2018.11.29)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
単一駆動の剛性‐フレキシブルカップリングされる精密移動ステージであって、ベース、リニアガイドレール、剛性‐フレキシブルカップリングされる移動ステージ、リニア駆動器及び変位センサを含み、剛性‐フレキシブルカップリングされるステージは、剛性フレーム、フレキシブルヒンジ及びコア移動ステージを含み、
前記剛性‐フレキシブルカップリングされるステージのコア移動ステージは、フレキシブルヒンジを介して前記剛性フレームに接続され、
前記剛性‐フレキシブルカップリングされるステージのコア移動ステージは、リニア駆動器に接続し、前記剛性フレームは、ガイドレールのスライドブロックを介して前記ベースに固定される前記リニアガイドレールに接続し、前記コア移動ステージが前記リニア駆動器の作用で前記フレキシブルヒンジを弾性変形させ、かつフレキシブルヒンジにより前記剛性フレームを駆動して前記リニアガイドレールの長手方向に自由移動させ、
前記変位センサは、前記コア移動ステージに接続し、コア移動ステージの移動方向における変位を測定することに用いられることを特徴とする単一駆動の剛性‐フレキシブルカップリングされる精密移動ステージ。
【請求項２】
前記リニア駆動器は、ボイスコイルモータ又はリニアモータであることを特徴とする請求項１に記載の単一駆動の剛性‐フレキシブルカップリングされる精密移動ステージ。
【請求項３】
前記剛性‐フレキシブルカップリングされるステージの剛性フレームとコア移動ステージとの間には、位置制限装置及びダンパが設けられていることを特徴とする請求項１に記載の単一駆動の剛性‐フレキシブルカップリングされる精密移動ステージ。
【請求項４】
剛性‐フレキシブルカップリングされるステージの前記コア移動ステージと前記剛性フレームとの間のフレキシブルヒンジは、対称的に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の単一駆動の剛性‐フレキシブルカップリングされる精密移動ステージ。
【請求項５】
前記剛性‐フレキシブルカップリングされる移動ステージは、一体的に加工製造されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の単一駆動の剛性‐フレキシブルカップリングされる精密移動ステージ。
【請求項６】
前記フレキシブルヒンジは、ストレートビーム型又は切欠き型のフレキシブルヒンジであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の単一駆動の剛性‐フレキシブルカップリングされる精密移動ステージ。
【請求項７】
前記剛性‐フレキシブルカップリングされる移動ステージにおけるコア移動ステージ及び剛性フレームは、さらに、リニアベアリング、磁気支持剛性強化構造を有していることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の単一駆動の剛性‐フレキシブルカップリングされる精密移動ステージ。
【請求項８】
前記請求項１乃至４のいずれかの一項に記載の単一駆動の剛性‐フレキシブルカップリングされる精密移動ステージにより実現され、
リニア駆動器によりコア移動ステージを直接的に駆動し、駆動力が剛性フレームの静摩擦を克服することができない場合、コア移動ステージは、フレキシブルヒンジの弾性変形により微小変位を発生させ、精密のマイクロ移動を実現するステップ（１）と、
リニア駆動器の駆動力が高まるとき、摩擦力を克服し、剛性フレームを移動させるが、この場合、弾性変形が増大し、位置制限状態に進入し、すべての駆動力が剛性フレームに伝達されて高速移動するステップ（２）と、
ステージが減速するとき、コア移動ステージが、まず、制動し、フレキシブルヒンジを介して剛性フレームを制動させ、その後、別の位置制限装置及びダンパに切り替え、振動エネルギーを減衰させるステップ（３）を含むことを特徴とする単一駆動の剛性‐フレキシブルカップリングされる精密移動ステージの実現方法。
【請求項９】
単一駆動の剛性‐フレキシブルカップリングされる精密移動ステージを用いて精密移動を実現する方法であって、前記単一駆動の剛性‐フレキシブルカップリングされる精密移動ステージは、大ストロークの精密加工設備に応用され、かつ請求項１、２、３又は４のいずれか一項に記載の単一駆動の剛性‐フレキシブルカップリングされる精密移動ステージをモータ駆動ステージとして用いられることを特徴とする単一駆動の剛性‐フレキシブルカップリングされる精密移動ステージを用いて精密移動を実現する方法。
【請求項１０】
大ストロークの精密加工設備に用いられ、かつ前記請求項８に記載の方法を用いてモータ駆動を実現することを特徴とする単一駆動の剛性‐フレキシブルカップリングされる精密移動ステージの実現方法。
【国際調査報告】
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